DZZ5 型自動氣象站風向故障排除案例分析*

王 馳 ， 張晨陽 ， 李 博 ， 石力偉

(1．內(nèi)蒙古自治區(qū)大氣探測技術(shù)保障中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.錫林郭勒盟氣象局，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000）

DZZ5 型自動氣象站使用EL15-2C 型風向傳感器記錄風向，風向是氣象地面觀測基本要素之一，選擇合適的方法排除風向故障對確保風向數(shù)據(jù)準確性至關(guān)重要。 李昕娣等[1]利用Excel 創(chuàng)建雷達圖進行風向傳感器數(shù)據(jù)偏差分析；張永軍等[2]針對ZQZ-TF 型風向傳感器，提出了基于分布律規(guī)則的風向傳感器故障檢測方法；劉瑩等[3]提出了基于觀測數(shù)據(jù)的風向傳感器故障檢測方法。 以上方法僅考慮了風向傳感器格雷碼碼盤的問題，而并沒有將電纜、風橫臂轉(zhuǎn)接頭和主采集器的問題統(tǒng)一考慮進去， 因此上述方法在現(xiàn)場解決自動氣象站風向故障問題時存在不足。 本文提出一種DZZ5 型自動站風向故障排除方法，即首先從CIMISS 調(diào)用本站風向歷史數(shù)據(jù)，再結(jié)合以上幾種方法分析風向歷史數(shù)據(jù)確定故障出現(xiàn)對應(yīng)格雷碼位置，最終通過現(xiàn)場實際情況逐步排除DZZ5 型自動氣象站風向故障。

1 風向數(shù)據(jù)獲取

排除故障所使用的風向數(shù)據(jù)來源于全國綜合氣象信息共享平臺（CIMISS：China Integrated Meteorological Information Service System）。 氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)一服務(wù)接口（MUSIC：Meteorological Unified Service Interface Community）， 基于CIMISS，面向氣象業(yè)務(wù)和科研，提供全國統(tǒng)一、標準、豐富的數(shù)據(jù)訪問服務(wù)和應(yīng)用編程接口（API），為國、省、地、縣各級應(yīng)用系統(tǒng)提供唯一權(quán)威的數(shù)據(jù)接入服務(wù)[4]。 本文使用Python3.6 進行編程， 使用Rest 服務(wù)提供HTML 格式的數(shù)據(jù)。 由于本文使用的Python 版本與CIMISS 上的示例代碼版本不同，需對CIMISS 的示例代碼進行調(diào)整，調(diào)整后對應(yīng)代碼如下：

# coding=utf8

import sys

import webbrowser

import pandas as pd

from imp import reload

reload(sys)

if __name__ == '__main__'：

baseUrl = 'http：//10.62.89.55/cimiss-web/api?

userId=XXXX_XXXX_XXX

&pwd=XXXXXX

&interfaceId=getSurfEleByTimeRangeAndStaID

&dataCode=SURF_CHN_MUL_HOR

&elements=Datetime,WIN_D_INST, WIN_D_INST_Max

&timeRange=[20170101000000,20180101000000)

&staIds=XXXXX

&dataFormat='

dataFormat = 'html'

webbrowser.open_new_tab(baseUrl + dataFormat)

2 工作原理

EL15-2C 型風向傳感器由風向標部件、殼體（內(nèi)裝風向轉(zhuǎn)換系統(tǒng)）和插座等主要部分所組成[5]。風向標部件隨風旋轉(zhuǎn)，帶動同軸的格雷碼碼盤，按照碼盤刻槽的設(shè)計，碼盤每轉(zhuǎn)動約2.8125°， 光電耦合器組就會產(chǎn)生新的7 位并行脈沖信號。EL15-2C 型風向傳感器輸出信號由電纜經(jīng)過風橫臂轉(zhuǎn)接盒傳輸?shù)紿Y-3000 數(shù)據(jù)采集器，如圖1 所示。

圖1 DZZ5 型自動站風向信號傳輸流程

針對DZZ5 型國家氣象站， 先從CIMISS 調(diào)取該站某段時間內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)，然后制作數(shù)據(jù)分析圖，通過數(shù)據(jù)分析確定對應(yīng)格雷碼位置，接下來在現(xiàn)場按照圖1 順序從對應(yīng)格雷碼位置依次進行測試，直到最后確定故障點。

3 結(jié)果與分析

圖2 為DZZ5 型主站2019 年1 月1 日至12 月31 日的逐時瞬時風向和極大風速的風向分布圖。 縱軸為一天內(nèi)24 個整點時刻的風向記錄，橫軸為全年的天數(shù)。 從圖2可以看出從2019 年1 月1 日至2019 年6 月3 日該站的風向數(shù)據(jù)異常， 數(shù)據(jù)統(tǒng)計為全年整點瞬時風向小于180°的占20%，1 月到5 月之間整點瞬時風向小于180°的占9%，全年整點極大風速的風向小于180°的占19%，1 月到5 月之間整點極大風速的風向小于180°的占11%。由風向數(shù)據(jù)分布圖初步可以判斷格雷碼D6 對應(yīng)位置出現(xiàn)故障。2019 年6 月3 日內(nèi)蒙古自治區(qū)大氣探測技術(shù)保障中心對該站進行現(xiàn)場巡檢，換上檢定合格的風向傳感器后，現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)風向度數(shù)仍大于180°， 初步排除風向傳感器格雷碼碼盤的問題。 為排除故障，按照圖1 所示，現(xiàn)場先將風橫臂轉(zhuǎn)接盒拆開， 使用萬用表逐一測量風橫臂轉(zhuǎn)接頭通斷，發(fā)現(xiàn)風橫臂轉(zhuǎn)接頭處對應(yīng)于格雷碼D6 的位置存在線纜虛接的問題。 將對應(yīng)于格雷碼D6 位置的線纜重新連接，進一步觀察后確認風向數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

圖2 2019 年主站整點風向數(shù)據(jù)分布

圖3 4 月和7 月風向頻率分布圖

圖3（a）為該站2019 年4 月份整點瞬時風向出現(xiàn)頻率統(tǒng)計， 統(tǒng)計可知4 月份小于180°的風向出現(xiàn)64 次，僅占4 月全部整點風向的8.89%， 這正是對應(yīng)于格雷碼D6位置的線纜虛接造成小于180°風向偶爾出現(xiàn)。 圖3（b）為該站2019 年7 月份整點瞬時風向出現(xiàn)頻率統(tǒng)計， 可以確認經(jīng)過6 月檢修后風向數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

4 結(jié)束語

本文針對DZZ5 型氣象站風向故障，首先使用Python從CIMISS 調(diào)用本站某個長時段內(nèi)的風向整點歷史數(shù)據(jù)，再對風向歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析確定故障出現(xiàn)的對應(yīng)格雷碼位置，最終臺站氣象保障人員通過現(xiàn)場實際按照信號傳輸流程的順序逐步確定風向故障點并排除。 該方法充分利用了臺站的風向歷史數(shù)據(jù)，簡單易操作，方便臺站氣象保障人員在氣象觀測場準確判斷風向故障點。